发动机原理第三章(第4次课)

汽车发动机原理与汽车理论课程设计摘要汽车发动机是一种能够将燃料转化为机械能的设备，在汽车行业中起着至关重要的作用。

本文旨在介绍汽车发动机的原理以及在汽车理论课程设计中的应用，详细讲解其构成、工作原理以及各个部件之间的关系。

第一章：汽车发动机的基础知识1.1 汽车发动机的概念汽车发动机是指一种能够将化学能转化为机械能的设备，通过内燃作用驱动汽车的动力装置。

1.2 汽车发动机的分类按照结构分类，汽车发动机可以分为四种：直列式发动机、V型发动机、W型发动机和逆向双方向发动机。

按照供能方式分类，又可以分为汽油发动机和柴油发动机两大类。

1.3 汽车发动机的构成•缸体：包裹发动机的大部分部件•活塞：连接连杆、从而转化单向线性运动为旋转运动•气门和进气道：调节空气进出缸内•点火塞（汽油发动机）或者喷油嘴（柴油发动机）•燃油系统（汽油发动机）或者柴油喷射系统（柴油发动机）•发电机：提供电力给汽车使用1.4 汽车发动机的工作原理汽车发动机的工作原理为：在燃烧室中，将燃料和空气混合后着火，燃烧产生高温和高压，使活塞产生运动，从而转动曲轴，将热能转化为机械能。

第二章：课程设计2.1 课程设计的目的和意义汽车发动机理论课程设计旨在让学生深入了解汽车发动机，并在实践中掌握汽车发动机的基本操作，提高学生的能力和综合素质。

2.2 课程设计的内容此次课程设计主要包括以下三个内容：1.汽车发动机的动态模拟：利用MATLAB等技术对汽车发动机进行较为真实的模拟，让学生学习发动机的工作原理并锻炼数据分析的能力。

2.发动机拆解：将一个发动机拆分为各个部件，并通过物理实验进行相关操作，让学生更好地了解各个部件的功能和组成关系。

3.实际操作：让学生在课程设计中对发动机进行实际操作，学习更加深入。

2.3 课程设计过程1.建立学生学习小组2.汽车发动机的理论学习和相关知识的普及宣传3.组织学生进行动态模拟实验4.发动机拆解与组装实验5.实际操作，让学生深入了解汽车发动机第三章：总结汽车发动机是整个汽车的心脏，其工作原理和性能对整个汽车有着至关重要的作用。

第二章发动机的性能指标1.研究理论循环的目的是什么？理论循环与实际循环相比，主要作了哪些简化？答:目的：1.用简单的公式来阐明内燃机工作过程中各基本热力参数间的关系，明确提高以理论循环热效率为代表的经济性和以平均有效压力为代表的动力性的基本途径2.确定循环热效率的理论极限，以判断实际内燃机经济性和工作过程进行的完善程度以及改进潜力3.有利于分析比较发动机不同循环方式的经济性和动力性简化：1.以空气为工质，并视为理想气体，在整个循环中工质的比热容等物理参数为常数，均不随压力、温度等状态参数而变化2.将燃烧过程简化为由外界无数个高温热源向工质进行的等容、等压或混合加热过程，将排气过程即工质的放热视为等容放热过程3.把压缩和膨胀过程简化成理想的绝热等熵过程，忽略工质与外界的热交换及其泄露等的影响4.换气过程简化为在上、下止点瞬间开和关，无节流损失，缸内压力不变的流入流出过程。

2.简述发动机的实际工作循环过程。

四冲程发动机的实际循环由进气、压缩、燃烧、膨胀、排气组成3.排气终了温度偏高的原因可能是什么？有流动阻力，排气压力>大气压力，克服阻力做功，阻力增大排气压力增大,废气温度升高。

负荷增大Tr增大；n升高Tr增大，∈+，膨胀比增大，Tr减小。

4.发动机的实际循环与理论循环相比存在哪些损失？试述各种损失形成的原因。

答：1.传热损失，实际循环中缸套内壁面、活塞顶面、气缸盖底面以及活塞环、气门、喷油器等与缸内工质直接接触的表面始终与工质发生着热交换2.换气损失，实际循环中，排气门在膨胀行程接近下止点前提前开启造成自由排气损失、强制排气的活塞推出功损失和自然吸气行程的吸气功损失3.燃烧损失，实际循环中着火燃烧总要持续一段时间，不存在理想等容燃烧，造成时间损失，同时由于供油不及时、混合气准备不充分、燃烧后期氧不足造成后燃损失以及不完全燃烧损失4.涡流和节流损失实际循环中活塞的高速运动使工质在气缸产生涡流造成压力损失。

发动机原理教学大纲课程编号：课程名称：发动机原理Aircraft Engines学时/学分：24学时/1.5学分先修课程：流体力学基础（编号）、工程热力学一、课程教学目标本课程是“飞行器设计工程”专业本科生的必修课。

发动机是飞机的关键部件之一，它提供飞行动力，它的性能直接影响飞机性能，飞机控制和操纵所需功率也来自于发动机。

本课程的目的是使飞机系学生掌握发动机工作原理和性能以及适用范围和使用时的工作限制。

了解飞机和发动机匹配中所存在的问题。

二、教学内容及基本要求1. 课程主要内容第一章航空燃气涡轮发动机工作原理(5学时)发动机的工作过程有效推力和推力计算公式发动机性能指标和基本要求发动机中的能量转换和发动机效率发动机主要设计参数及选择原则飞机/发动机一体化设计概念第二章发动机主要部件工作原理(9学时)进气道的工作状态及特性压气机加功增压原理及特性燃烧室工作原理及特性涡轮做功原理及特性尾喷管的工作状态及特性第三章涡轮喷气发动机(7学时)各部件共同工作涡喷发动机特性超音速进气道与发动机匹配问题加力涡喷发动机工作特点和性能发动机过渡工作状态第四章涡轮风扇发动机(2学时)涡扇发动机组成与分类附加质量原理性能指标涡扇发动机性能特点第五章涡轮轴发动机(2学时)工作原理主要性能指标性能特点2. 课程基本要求要求学生熟练掌握各种航空发动机的工作原理，性能指标和适用范围；掌握发动机特性及其应用条件；了解发动机性能变化原因。

三、教学安排及方式●本课程以课堂讲授为主，安排少量课后作业,参观发动机陈列室，增强感性认识。

●周学时（1.5），课内、外比例1：1.5。

四、考核方式平时考核与课程结业笔试相结合，平时成绩为30%，结业笔试为70%。

五、参考教材1. 教材《航空燃气涡轮发动机》尚义编，航空工业出版社，1995年版。

2. 参考书《航空燃气涡轮发动机原理》下册【苏】Ю. Н. 聂加耶夫等著, 姜树明译,国防工业出版社, 1984年6月;3．《Aircraft Engine and Gas Turbine》【美】Jack L. Kerrebrock, MIT .。

航发原理第三章涡轮喷气发动机的工作原理航空发动机知识发动机性能计算发动机设计是一个复杂的过程，需考虑应用对象、重量、成本、体积、寿命及噪音等诸多限制因素，需进行发动机设计点下的一些参数优化选择，继而进行发动机总体性能计算。

发动机设计点的性能将取决于设计状态下各部件的热力过程。

本章将介绍发动机主要工作过程参数对发动机单位性能参数的影响及设计点发动机性能计算方法。

航空发动机知识涡轮喷气发动机的主要单位性能参数发动机最重要的两个单位性能参数：1. 单位推力定义：Fs=F/qm ;2. 单位燃油定义：耗油率sfc=3600qmf/F。

发动机推力F通常由用户给定，提高Fs可降低流量qm,这意味着将减少发动机的重量和最大迎风面积，因此该参数对发动机总体性能影响十分重要。

如假定尾喷管完全膨胀(p9=p0),且忽略燃气与空气流量的差别，即qm=qmg , 则有单位推力：Fs=V9-V0航空发动机知识发动机主要工作过程参数概念在发动机工作过程中，用来描述气流沿程流动状态变化的参数,如P0、P1、pc 、T0、T1、T3* 。

.. 等参数称为发动机的工作过程参数。

其中压气机压比pc和涡轮前温度T3*是发动机的主要工作参数，也是设计时需要选择的重要参数。

航空发动机知识工作参数对单位性能的影响首先研究一下循环功。

若把压气机和进气道作为一个总的压缩过程，则每千克气体输入功为：Wc C p (T2* T0 ) C pT0 (p11) / hc其中：hc 为压缩过程的总效率，p=P2*/P0为总增压比。

若把涡轮和尾喷管作为一个总的膨胀过程(不计燃烧引起的总压损失),则每千克气体输出功：' ' * Wp C p (T3* T9 ) C p T3 (1 1 p' 1 ')h p其中hp 为膨胀过程的总效率。

航空发动机知识循环功与工作过程参数之间的关系发动机循环功代表发动机可以使用的能量(可用能量), 可以表示为：W循环功1 1 ' * W p Wc C pT3 1 ' 1 h p C pT0 p 1 hc ' p ' , T3* T0 , C p (1 1若取：e p1p1 '') C p (1 1p1)e 1 a hch p 则循环功：W循环功C pT0 ( 1) hc e(1)航空发动机知识循环功影响参数分析e 1 a hch p W循环功C pT0 ( 1) hc e 影响发动机循环功W的主要参数是压比p、温比, =1.02-1.04。

第三章发动机的换气过程了解：二冲程发动机的换气过程。

理解：配气相位，充气效率和影响因素。

掌握：四冲程发动机的换气过程。

换气过程是排气过程和进气过程的通称，包括从排气门开启直到进气门关闭的整个时期，约占380～450°曲轴转角。

换气过程的任务是将缸内空气排出干净,并充入尽量新鲜冲量.第一节四冲程发动机的换气过程一、换气过程（一）排气阶段１．自由排气阶段从排气门打开到汽缸压力接近于排气管压力。

一开始，排气的流动处于超临界状态，最小截面处气体以音速流动，其供气量与排气门前后的压差无关，只决定于气门的开启面积和气体的状态。

随着活塞的推移，当气体以亚临界状态流动时，排出的废气量由气缸内与排气管内的压力差决定。

自由排气阶段，虽然占整个排气时间虽短,但废气流速很高,废气排出量占60％以上。

从排气门打开到活塞行至下止点的曲轴转角为排气提前角（40- 80°）。

2．强制排气阶段从缸内压力接近排气管压力到活塞于上止点。

换气过程P-φ图3、惯性排气阶段从活塞于上止点到排气门关闭从活塞于上止点到排气门关闭的曲轴转角为排气滞后角。

（二）进气过程1、准备进气阶段从进气门打开到活塞于上止点从进气门打开到活塞于上止点的曲轴转角为进气提前角(10-30°)2．正常进气阶段从活塞于上止点到下止点3、惯性进气阶段从活塞于下止点到进气门关。

从下止点到进气门完全关闭时的曲轴转角为进气滞后角（40～80°）（三）气门重叠角在上止点附近进、排气门同时开启的曲轴转角称为气门重叠角。

非增压进排气门重叠角一般为20-60°,增压柴油机,因其进气压力高,故需较大的气门重叠角,一般为80-160°.此时总有一定数量的新鲜充量直接扫过燃烧室,帮助清除废气后进入排气管,称为燃烧室扫气过程.二、换气损失１．排气损失提前排气损失ω：排气门提前打开引起的损失。

强制排气损失y：活塞上行强制推出废气的损失。

第一章：汽车发动机概述教学目标：1. 了解汽车发动机的定义、功能和分类。

2. 掌握汽车发动机的主要性能参数。

3. 熟悉汽车发动机的安装位置和基本结构。

教学内容：1. 汽车发动机的定义与功能2. 汽车发动机的分类3. 汽车发动机的主要性能参数4. 汽车发动机的安装位置与基本结构教学方法：1. 讲授法：讲解汽车发动机的定义、功能、分类和性能参数。

2. 直观演示法：展示汽车发动机实物，让学生了解其安装位置和基本结构。

教学步骤：1. 导入新课：介绍汽车发动机的重要性。

2. 讲解发动机的定义与功能。

3. 讲解发动机的分类。

4. 讲解发动机的主要性能参数。

5. 讲解发动机的安装位置与基本结构。

6. 课堂小结。

作业布置：1. 复习汽车发动机的定义、功能、分类和性能参数。

2. 观察身边的汽车，了解其发动机的安装位置和基本结构。

第二章：发动机机体结构教学目标：1. 掌握发动机机体结构的主要组成部分。

2. 熟悉发动机机体的安装位置和作用。

3. 了解发动机机体的维修保养方法。

教学内容：1. 发动机机体结构的主要组成部分2. 发动机机体的安装位置与作用3. 发动机机体的维修保养方法教学方法：1. 讲授法：讲解发动机机体结构的主要组成部分和作用。

2. 直观演示法：展示发动机机体实物，让学生了解其安装位置。

3. 实践操作法：引导学生进行发动机机体的维修保养实践。

教学步骤：1. 导入新课：回顾上一节课的内容，引出发动机机体结构的重要性。

2. 讲解发动机机体结构的主要组成部分。

3. 讲解发动机机体的安装位置与作用。

4. 讲解发动机机体的维修保养方法。

5. 课堂小结。

作业布置：1. 复习发动机机体结构的主要组成部分和作用。

2. 观察身边的汽车发动机，了解其机体的安装位置。

3. 学习发动机机体的维修保养方法。

第三章：发动机曲柄连杆机构教学目标：1. 掌握发动机曲柄连杆机构的主要组成部分。

2. 了解曲柄连杆机构的工作原理。

3. 熟悉曲柄连杆机构的维修保养方法。

第一章1.内燃机动力性能和经济性能指标为什么要分为指示指标和有效指标两大类？表示动力性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？表示经济性能的指标有哪些？它们的物理意义是什么？它们之间的关系是什么？答：指示指标是以工质对活塞所做的功为基础的，它不考虑动力输出过程中机械摩擦和附件消耗等外来因的影响，可以直接反映由燃烧到热工转换的工作循环进行的好坏：有效指标是以曲轴对外输出的功率为基础，代表了发动机整机的性能。

表示动力性能的指标：平均指示压力p mi是发动机单位气缸工作容积的指示功平均指示功率P i发动机单位时间所做的指示功，P i=p mi V s in30τ平均有效压力p me发动机单位气缸工作容积输出的有效功有效功率P e发动机指示功率减去机械损失功率对外输出的功率，P e=P i−P m有效扭矩发动机工作时，由功率输出轴输出的扭矩转速n和活塞平均速度C m：提高发动机转速，即增加单位时间内做工的次数，从而使发动机体积小、重量轻和功率增加。

转速增加活塞平均速度也增加，他们之间的关系：C m=Sn30表示经济性能的指标：指示热效率ηi是实际循环指示功与所消耗的燃料热量之比。

指示燃油消耗率b i单位指示功的耗油量，与指示热效率之间的关系：b i=3.6×106ηi×Hμ有效热效率ηe发动机有效功与所消耗燃料热量的比值有效燃油消耗率b e与P e的关系：b e=BP e ×106，与ηe的关系ηe=3.6×106b e×Hμ2.怎样求取发动机的指示功率、有效功率、平均指示压力和平均有效压力？指示功率P i=p mi V s in30τb i=BP i×106 P i=P e+P m有效功率P e=P i−P m P e=T tq n9550P e=p me V s in30τb e=BP e×106平均指示压力p mi=W iV s P i=p mi V s in30τ平均有效压力p me=30P eτV s in p me=0.1047T tqτiV s×30×10−33.机械效率的定义是什么？机械效率是有效功率和指示功率的比值，ηm=P eP i =p mep mi=1−P mP i=1−p mmp mi4.压缩比的定义是什么？压缩比等于气缸总容积与燃烧室容积的比值。

《发动机原理》教学大纲课程编码：课程名称：发动机原理英文名称：Fundamental of Automobile Engine开课学期：6学时/学分：64/4或36/2 （其中实验学时：8或4 ）课程类型：专业课开课专业：热能与动力工程专业或车辆工程选用教材：《发动机原理》（第2版）林学东编著机械工业出版社2015.01执笔人：一、课程性质、目的与任务本课程是汽车发动机及车辆工程专业本科生必修的一门主要专业理论课。

本课程的目的是通过本课程的学习，使学生掌握发动机的能量转换的基本原理及其性能评价方法、影响发动机性能因素的分析方法；了解提高或改进发动机性能的主要途径和措施。

为合理使用、正确调整以及汽车动力传动系统合理匹限奠定理论基础；同时初步掌握发动机的试验方法和实验技能。

二、教学基本要求本课程主要讲述汽车发动机的工作原理及其特性，它以发动机性能指标为主要研究对象，介绍发动机的基本工作原理，分析影响内燃机各工作过程以及性能指标的各种因素。

从节能减排角度合理组织发动机工作过程以及如何提高其性能是本课程的中心内容。

通过本课程的学习，使学生牢固掌握发动机的性能指标、性能特性及其分析方法和主要影响因素；初步掌握发动机的试验方法及其数据处理和万有特性制取方法；为汽车动力系统合理匹时奠定理论基础。

根据总学时的要求，内容可根据具体培养要求进行删减。

三、各章节内容及学时分配第一章绪论教学目的与要求本章节着重介绍汽车发动机在国民经济中的重要作用。

通过本章的学习，使学生了解内燃机的发明与发展历程，以及不同阶段汽车发动机发明发展过程中存在的问题，正确对待发动机原理这门课程，正确对待以发动机为动力源的汽车发展对社会环境与文明的影响，明确本课程的学习目的和方法，培养对本课程的学习兴趣。

1.1本课程的任务、要求和学习方法1.2内燃机与汽车及其发展史简介1.3汽车工业的发展阶段1.4汽车发展对社会环境的影响考核要求：了解内燃机在国民经济中的作用、内燃机的发展历史、现状及趋势。

发动机原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解发动机的基本工作原理，掌握热力学在发动机中的应用。

2. 学生能够描述发动机各主要部件的构造和功能，以及它们之间的相互作用。

3. 学生能够解释发动机效率的影响因素，并运用相关公式进行简单计算。

技能目标：1. 学生能够通过观察和实验操作，分析发动机的工作过程，培养观察和动手能力。

2. 学生能够运用所学的知识，对发动机的简单故障进行诊断和排除。

3. 学生能够设计简单的发动机模型，提升创新和解决问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 学生通过学习发动机原理，培养对机械和工程技术的兴趣，激发学习的热情。

2. 学生能够认识到发动机在现代社会的作用和价值，增强环保意识，关注能源的合理利用。

3. 学生通过合作学习，培养团队精神和沟通能力，提高合作解决问题的能力。

课程性质：本课程为工程技术类课程，旨在帮助学生掌握发动机的基本原理，提高实践操作和创新能力。

学生特点：学生处于初中阶段，对新鲜事物充满好奇心，具备一定的动手能力，但理论知识相对薄弱。

教学要求：结合学生特点，注重理论联系实际，采用讲解、实验、讨论等多种教学方式，提高学生的兴趣和参与度。

同时，关注学生的个体差异，因材施教，使每个学生都能在课程中收获成长。

通过分解课程目标为具体的学习成果，为后续的教学设计和评估提供依据。

二、教学内容1. 引擎概述：介绍发动机的发展历程、分类及在交通工具中的应用。

- 教材章节：第一章《发动机概述》- 内容：内燃机与外燃机的区别、汽油机与柴油机的特点。

2. 发动机工作原理：讲解四冲程循环（进气、压缩、燃烧、排气）及能量转换过程。

- 教材章节：第二章《发动机工作原理》- 内容：热力学第一定律、第二定律在发动机中的应用。

3. 发动机主要部件：分析发动机的构造、功能及相互之间的关系。

- 教材章节：第三章《发动机主要部件》- 内容：气缸、活塞、曲轴、连杆、配气机构、燃油供给系统、点火系统等。

第一章发动机的性能1.简述发动机的实际工作循环过程。

1）进气过程：为了使发动机连续运转，必须不断吸入新鲜工质，即是进气过程。

此时进气门开启，排气门关闭，活塞由上止点向下止点移动。

2）压缩过程：此时进排气门关闭，活塞由下止点向上止点移动，缸内工质受到压缩、温度。

压力不断上升，工质受压缩的程度用压缩比表示。

3）燃烧过程：期间进排气门关闭，活塞在上止点前后。

作用是将燃料的化学能转化为热能，使工质的压力和温度升高，燃烧放热多，靠近上止点，热效率越高。

4)膨胀过程：此时，进排气门均关闭，高温高压的工质推动活塞，由上止点向下至点移动而膨胀做功，气体的压力、温度也随之迅速下降。

（5）排气过程：当膨胀过程接近终了时，排气门打开，废气开始靠自身压力自由排气，膨胀过程结束时，活塞由下止点返回上止点，将气缸内废气移除。

3.提高发动机实际工作循环热效率的基本途径是什么？可采取哪些基本措施？提高实际循环热效率的基本途径是：减小工质传热损失、燃烧损失、换气损失、不完全燃烧损失、工质流动损失、工质泄漏损失。

提高工质的绝热指数κ。

可采取的基本措施是：⑴减小燃烧室面积，缩短后燃期能减小传热损失。

⑵. 采用最佳的点火提前角和供油提前角能减小提前燃烧损失或后燃损失。

⑶采用多气门、最佳配气相位和最优的进排气系统能减小换气损失。

⑷加强燃烧室气流运动，改善混合气均匀性，优化混合气浓度能减少不完全燃烧损失。

⑸优化燃烧室结构减少缸内流动损失。

⑹采用合理的配缸间隙，提高各密封面的密封性减少工质泄漏损失。

4.什么是发动机的指示指标？主要有哪些？答：以工质对活塞所作之功为计算基准的指标称为指示性能指标。

它主要有：指示功和平均指示压力.指示功率.指示热效率和指示燃油消耗率。

5.什么是发动机的有效指标？主要有哪些？答:以曲轴输出功为计算基准的指标称为有效性能指标。

主要有：1）发动机动力性指标，包括有效功和有效功率.有效转矩.平均有效压力.转速n和活塞平均速度；2）发动机经济性指标，包括有效热效率.有效燃油消耗率；3）发动机强化指标，包括升功率PL.比质量me。